X波段雙偏振雷達在興安盟防雹作業(yè)中的應用

閆文輝

(興安盟氣象局，烏蘭浩特137400)

0 引言

冰雹是一種強對流系統(tǒng)觸發(fā)后產(chǎn)生的陣性災害，常伴有大風、強降水和氣溫驟降等，給農(nóng)牧業(yè)、交通及人民生命財產(chǎn)造成損失。因此，氣象科研工作者一直堅持對冰雹進行研究，并取得了一定進展[1]。許煥斌、李成鵬[2，3]等總結(jié)得出部分冰雹云的回波強度、強回波核高度、30 dBZ回波高度、回波頂高和垂直積分液態(tài)含水量5個物理量是判別冰雹出現(xiàn)的重要指標；隨著科技的發(fā)展，新氣象探測設備不斷被研發(fā)和引入，王碩甫[4]等利用X波段雙偏振雷達，對廣東地區(qū)的雹云回波特征分析發(fā)現(xiàn)，-20 ℃層高度及0 ℃層高度對于冰雹在雷暴單體中的維持與增長起到有利作用；傅昺珊、趙璐[5，6]等利用FY系列衛(wèi)星的高時空分辨力觀測資料發(fā)現(xiàn)風暴南側(cè)的TBB(云頂亮溫)大梯度區(qū)是風暴新生的活躍帶，也是反射率因子大值帶，新生風暴-52 ℃TBB中心的出現(xiàn)比反射率因子強中心的出現(xiàn)有一定提前量；隨著研究的深入，李麗麗、郭鳳霞[7，8]等發(fā)現(xiàn)在-20 ℃層以上的云體外圍主要為冰晶和雪花構(gòu)成，云體內(nèi)部為冰晶、雪花、霰和雹等冰相粒子類型共存；0 ℃層以下主要為液態(tài)降水粒子類型，在0 ℃層附近幾百米范圍則為冰水混合區(qū)域，相態(tài)識別產(chǎn)品對識別雹云結(jié)構(gòu)起到輔助作用。興安盟X波段雙偏振雷達的應用在初始階段，尚未與原業(yè)務雷達開展聯(lián)合探測研究。文章通過在興安盟布設各種探測設備，對“6.20冰雹”天氣形勢、回波特征和防雹效果等進行綜合分析，旨在完善人影防雹作業(yè)的綜合能力，為防災減災提供更有力的理論支撐。

1 資料來源

文章所使用的資料主要有冰雹發(fā)生當日的天氣圖資料、索倫探空站的L波段雷達資料、興安盟區(qū)域內(nèi)布設的地面氣象觀測站資料、人影中心713雷達資料、人影基地的X波段雙偏振雷達資料，以及人影作業(yè)的相關(guān)記錄。所用地面站數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，雷達資料經(jīng)過速度退模糊和衰減訂正。

2 天氣與受災實況

受高空槽影響，6月20日午后到夜間，興安盟中北部地區(qū)出現(xiàn)短時強降水、雷電、雷暴大風等強對流天氣。冰雹路徑隨地面切變線移動，在前旗東部和烏市等地形成冰雹，最大冰雹直徑達40 mm，自動氣象站中有1站出現(xiàn)暴雨，為前旗科爾沁鎮(zhèn)(62 mm)，大雨12站，小雨62站。有14 站小時降水量超過20 mm，其中前旗科爾沁鎮(zhèn)小時降水量達60.2 mm。13站出現(xiàn)8級以上的雷雨大風，最大風速為科右前旗滿族屯鄉(xiāng)，風速達22.2 m/s。據(jù)興安盟應急管理局統(tǒng)計，興安盟共有受災鄉(xiāng)鎮(zhèn)12個，受災人口57，725人，農(nóng)作物受災面積31，480.7公頃，損壞房屋55戶176間，因災死亡的羊29只，倒塌房屋1戶1間，損壞大棚169座，損失林果、林木35，698棵，沖毀院墻1000 m，造成直接經(jīng)濟損失2.62億元。

3 天氣形勢

2020-06-20T08：00中高緯度低壓中心與冷中心重合，在呼倫貝爾北部形成冷渦中心，隨之底部短波槽引導冷空氣東移，冷渦底部從興安盟劃過，并在冷渦底部存在10 ℃的暖中心。20日午后，隨著冷空氣的繼續(xù)侵入，冷溫槽逐漸向暖中心移動。底層無明顯的冷渦中心，低壓呈東北—西南向帶狀發(fā)展，存在偏南風與偏北風的輻合切變，并配合暖脊向興安盟中北部伸展。地面形勢上興安盟處在一個狹長的倒槽控制區(qū)，隨著冷空氣入侵，使倒槽加深發(fā)展成氣旋，在倒槽頂部形成明顯的輻合線，輻合抬升作用增強，在輻合線的觸發(fā)下，強對流天氣發(fā)生發(fā)展。

4 雷達回波特征

此次強對流天氣主要影響興安盟中北部地區(qū)，從生成、發(fā)展到消亡持續(xù)了近6 h。整個過程值班人員始終用兩部雷達密切跟蹤冰雹云體的動態(tài)，適時開展防雹作業(yè)。但由于雹云移動至科爾沁鎮(zhèn)上方時，距離村莊很近，非安全射界范圍，因此將此地雹云作為非作業(yè)云體，與催化云體進行對比分析，得到更有利于人影工作的雷達回波特征值，在完善本地區(qū)防雹作業(yè)指標的基礎上，找出X波段天氣雷達在強對流天氣中的優(yōu)勢產(chǎn)品，最大限度地發(fā)揮雷達在冰雹等災害性天氣中的作用，為預報預警和防災減災提供更多的技術(shù)支撐和決策依據(jù)。

4.1 索倫鎮(zhèn)防雹前后雷達回波特征

4.1.1 對流生成初期

713雷達回波顯示，15：00興安盟阿爾山東部邊界有局地對流產(chǎn)生，回波逐漸加強，自西北向東南方向移動。整個過程，回波強度一直在50 dBZ以上，回波強中心已超過-20 ℃層高度6.6 km，垂直液態(tài)水含量VIL 65 kg/m2，滿足部分雹云形成的雷達通用指標。由于神駿山遮擋，X波段雙偏振雷達無法觀測到阿爾山地區(qū)。

16：00左右，回波沿東南—西北走向逐漸向索倫方向移動，同時進入X波段雙偏振雷達的監(jiān)測范圍，此時距離雷達約150 km。文章選取713雷達16：46的平面位置顯示圖和X波段雙偏振雷達16：47基本反射率圖(2.4°仰角)的強回波覆蓋面積進行對比，發(fā)現(xiàn)X波段雙偏振雷達顯示范圍略小于713雷達，結(jié)合索倫周邊區(qū)域站降水情況，X波段雙偏振雷達顯示范圍更為準確。

4.1.2 作業(yè)前后X波段雙偏振雷達回波特征

17：00左右回波移至索倫鎮(zhèn)附近，X波段雙偏振雷達顯示回波強度達45 dBZ，713雷達顯示回波強度也在逐漸增加，結(jié)合索倫站08：00的探空資料，0 ℃層在624 hPa，-20 ℃層在416 hPa，850 hPa露點8.5 ℃，由此可判斷，此時的云體內(nèi)已含有冰雹。索倫地面站采集的實況數(shù)據(jù)顯示，此時溫度變化梯度為5.8 ℃/h，氣壓變化梯度為3.5 hPa/h，極大風速達16.3 m/s。16：46開始降水，并持續(xù)至20：00；兩次降雹相隔1 h，每次持續(xù)十幾分鐘。通過713雷達的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)對流云體在從阿爾山向索倫方向移動的過程中，回波強度始終維持在40 dBZ左右，17：00增至55 dBZ，降雹時間與回波峰值吻合；因17：30之前沒有空域批復，所以無法開展人影防雹作業(yè)，第一時段冰雹最大直徑5 mm；隨后回波強度呈下降趨勢，再次維持在30 dBZ，持續(xù)30 min，17：40增至61 dBZ，17：42—17：53在距離索倫鎮(zhèn)25 km的豐林炮點發(fā)射防雹炮彈40發(fā)，18：01再次降雹，最大冰雹直徑2 mm。索倫站16：00—20：00降水量分別為0 mm，0.3 mm，11.5 mm和20.8 mm。結(jié)合X波段雷達反射率垂直切割(RCS)得到強回波頂高度變化(圖1)，發(fā)現(xiàn)防雹作業(yè)前強回波頂高度波動較大，變化趨勢與索倫地面站采集到的降雹時間相似(17：05—17：23，18：01—18：13)，峰值與降雹時段吻合；降雹和防雹后強回波頂高度呈下降趨勢。由此可見防雹作業(yè)破壞了雹胎在云中的增長，改變了對流云體內(nèi)水汽的相態(tài)，冰雹直徑減小，雨量增加，說明此次防雹取得了較好的成效。

4.1.3 索倫地區(qū)降雹時段基本粒子變化

X波段雙偏振雷達可以生成基本粒子HCL產(chǎn)品，圖2(a)為17：02索倫附近對流云中的粒子相態(tài)分布情況，考慮雹體從云中降落到地面的時間，與索倫地面站采集到的降雹時間17：05基本吻合，粒徑屬小冰雹范疇，也與實況相符；圖2(b)為17：28的基本粒子HCL，可見冰雹相態(tài)消失，轉(zhuǎn)化為干、濕雪形式，與地面實況雹轉(zhuǎn)雨相同；圖2(c)、(d)為17：55和18：30小冰雹生成及消散的基本粒子變化。由此可見，X波段雙偏振雷達對云中基本粒子的回波顯示比較準確，可為預報、預警及人影作業(yè)起到一定的指示作用。

圖1 X波段雷達顯示索倫附近強回波頂高變化

圖2 索倫地區(qū)17：00—19：00對流云體中基本粒子顯示(2.4°仰角)：(a)17:02；(b)17:28；(c)17:55；(d)18:30

4.2 大石寨鎮(zhèn)附近防雹前后雷達回波變化特征

17：35，距離大石寨10 km的西南方向局地產(chǎn)生對流，結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，新生成的對流云體從初步形成到回波強度達45 dBZ，僅歷時30 min，并以1200 m/min的速度向大石寨鎮(zhèn)方向移動。17：41開始，分布在大石寨區(qū)域內(nèi)的三星、平安和套海3個炮點在17：42—17：55共計對目標云發(fā)射炮彈212發(fā)，根據(jù)當?shù)嘏谑帜繙y，大石寨降雹最大直徑達20 mm，致使大面積農(nóng)作物受災。由此可見，針對快速發(fā)展的對流云體，防雹效果并不顯著。18：00左右45 dBZ回波頂高已達9 km，此時雹云的主體部分向大石寨的東南方向移動。18：30左右到達保門鎮(zhèn)，通過雷達回波可以發(fā)現(xiàn)，對流云體在保門鎮(zhèn)附近的移動速度緩慢，保門境內(nèi)的炮點(福安)于18：31集中作業(yè)99發(fā)。實況顯示，保門境內(nèi)未發(fā)生雹災，19：00的小時降水量達11.9 mm。由此可見，人影防雹對移動速度較慢的對流云體效果較明顯，在催化劑作用下人工冰核與自然雹胚爭奪云體內(nèi)的過冷水，使得過冷水大量消耗。結(jié)合圖1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，45 dBZ回波頂高快速波動時，為雹云的旺盛發(fā)展期，出現(xiàn)冰雹的概率極高；45 dBZ回波頂高趨于平穩(wěn)或開始下降時，冰雹粒徑減小或轉(zhuǎn)為降水。

圖3 X波段雷達45 dBZ回波頂高度變化和影響大石寨地區(qū)的對流云體回波強度變化

4.3 科爾沁鎮(zhèn)附近降雹前后雷達回波特征

導致科爾沁鎮(zhèn)地區(qū)降雹的對流云體由兩部分組成：一部分是從索倫方向以670 m/min移動過來的；另一部分是17：21距離索倫東南54 km的地方新生成的。18：16兩塊對流云體合并，合并后的對流云體滯留在興安屯(距離科爾沁鎮(zhèn)10 km)上方，回波強度維持在45 dBZ左右，此狀態(tài)維持近30 min。18：43對流云體突然加速移動，18：50以后45 dBZ回波頂高顯示為1 km或以下，可以判斷為非法值，再結(jié)合X波段雙偏振雷達的其他產(chǎn)品和713雷達產(chǎn)品，可以初步確定X波段雙偏振雷達20 km范圍內(nèi)為非有效區(qū)。

18：50后對流云體的各項指標突然躍增[9]，垂直液態(tài)水含量VIL增至 65 kg/m2，雷達回波上最強反射率因子超過55 dBZ，閃電強度大，50 dBZ強回波高度達到8.0 km以上，回波頂達到12 km，呈現(xiàn)回波懸垂特征，科右前旗科爾沁鎮(zhèn)開始降雹，當?shù)貧庀笮畔T實測冰雹直徑達47 mm。結(jié)合X波段雙偏振雷達反射率垂直切割(RCS)得到此階段45 dBZ回波頂高，45 dBZ回波頂高在降雹之前同樣出現(xiàn)了較大波動，最低5 km，最高11 km，最大變化出現(xiàn)在18：30—18：37，7 min內(nèi)45 dBZ回波頂高變化4.5 km。08：00索倫站探空數(shù)據(jù)顯示0 ℃等溫線高度3996 m，由此可見，強回波在0 ℃以上的維持，為大冰雹的孕育創(chuàng)造了條件[10]。

19：30之后回波強度、強回波頂高度、垂直積分液態(tài)含水量等各指標值開始呈下降趨勢，降雹結(jié)束；20：48強回波中心基本移出興安盟境內(nèi)。

5 結(jié)束語

文章對2020-06-20興安盟地區(qū)出現(xiàn)的降雹過程進行了綜合分析，得出以下結(jié)論：

1)在冷槽東移與低層暖濕氣流交匯的環(huán)流形勢下，倒槽鋒使其頂部地面輻合加強，地面輻合線觸發(fā)了此次強對流產(chǎn)生并逐漸向東南移動，沿途經(jīng)減弱、增強、疊加等系列變化造成大石寨到科爾沁鎮(zhèn)等地的冰雹災害。

2)此次過程X波段雙偏振雷達對興安屯至索倫地區(qū)的監(jiān)測效果較好，覆蓋范圍精準；相態(tài)識別產(chǎn)品也與降雹實況基本吻合，初步判斷其有效范圍為20～150 km。

3)45 dBZ回波中心高度在-20 ℃等溫線以上，45 dBZ回波頂高快速波動，預示對流云正發(fā)展旺盛，出現(xiàn)冰雹的概率極高；45 dBZ回波頂高趨于平穩(wěn)或開始下降時，冰雹粒徑減小或轉(zhuǎn)為降水。45 dBZ回波頂高的波動同樣對冰雹的識別有較顯著的指示作用。